基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计.docx
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基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计
南京理工大学
硕士学位论文
基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计姓名:
徐巍
申请学位级别:
硕士
专业:
物理电子学
指导教师:
陈钱
20090526
硕上论文基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计摘要
随着电子技术的快速发展,特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机,使现代科学研究得到了质的飞跃,而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业领域带来了一次新的技术革命。
由嵌入式微控制器组成的系统,最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。
嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成;本实验系统的硬件核心部分是￥3C2440开发板,S3C2440微处理器是一款低功耗、高集成度的微处理器,采用289脚FBGA封装,包含ARM920T内核。
本实验系统的软件核心部分是嵌入式Linux操作系统,它是对Linux操作系统进行裁剪,使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统;并且具有软件移植容易,代码开放,有许多应用软件支持等特点。
系统提出了一个总体设计的方案,其中包括系统硬件平台的搭建,嵌入式Linux操作系统的移植,交叉编译环境的建立,以及嵌入式软件开发平台的建立。
在嵌入式系统硬件方面,主要介绍了ARM9处理器的结构特点和功能以及系统硬件平台的选择原则。
在嵌入式软件开发平台方面,主要介绍了嵌入式Linux的特点和应用,Linux系统如何移植到S3C2440开发板,以及应用软件在嵌入式系统上的开发流程。
关键词:
ARM,S3C2440,图像采集系统,嵌入式Linux
Abstract
——————————————————————————————————————一.堡主丝壅Abstract
W1ththerapid
developmentofelectronic
technology,especiallytheeme曜enCeof
large。
scaleIntegratedcircuitsandthe
emergenceofthemicrocomputer,therehasbeena
qualltatlVeleapinmodemscientificresearch.And
theeme唱enceoftlleembedded咖cro‘controllertechnol
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1ndustry.ThemostobViousadvantageoftheembeddedmicro.controlIer
systemisthatcaJlbeembeddedintoanymicro—orsmall-scale
apparatus,equipment.
Embeddedsystemis
mainlycomposedoftwoparts,hardwareandso觚are.Thecoreoft|1esystem’sh羽啪is￥3C2440developmentboard.￥3C2440microprocessorisa
10wlpower,hlghlYimegrated
microprocessor,using289-pinFBGApackage,includingtheARM920Tcore・Thecoreofthe
system’ssoftwareisembedded
linu【operatingsystem.nisanopemtlngsYstemwhichistheproductof
cuttingthelinuxoperatingsystem.itcall砌mtneembeddedcomputersystem-Embeddedlinux
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easily,opensource,supportedbymanyapplicationsoRware.
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developmenttrendofembeddedtechn0109y.Itraises
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teclm0109y.it1ncIudesthee吼ablishmentofhardwareplatform,the咖splaIltoftheembedded
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Keyword:
ARM,￥3C2440,image
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声明
本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。
与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。
研究生签名:
年月日
学位论文使用授权声明
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对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。
研究生签名:
年月日
硕上论文基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计1绪论
在现在日益信息化的社会中,计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。
对于我们每个人,需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档,进行工作管理和生产控制的计算机;各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机,任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品,d'NMP3,PDA等微型数字化产品,大到网络家电,智能家电,车载电子设备。
而在工业和服务领域中,使用嵌入式技术的数字机床,智能工具,工业机器人,服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。
1.1嵌入式技术的现状和发展趋势
1.1.1嵌入式技术的现状
Intemet与网络的迅速普及应用,并向家庭领域不断扩展,使消费电子、计算机、通信（3C一体化趋势日趋明显,嵌入式系统再度成为研究与应用的热点。
嵌入式系统被描述为:
以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件"。
嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器（MCU组成。
相关支撑硬件包括显示卡、存储介质、通信设备、IC卡或信用卡读取设备等。
嵌入式操作（real.timeembeddedoperatingsystem,RTOS或EOS是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它是嵌入式系统（包括硬、软件系统极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面。
标准化浏览器Browser等。
目前,嵌入式操作系统的品种较多,据统计,仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有40种左右,其中较为流行的主要有:
WindowsCE、PalmOS、Real.TimeLinux、VxWorks、pSOS、PowerTV以及Microware公司的OS.9。
与通用操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒,核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。
在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人商用,作为个人移动的数据处理和通讯软件。
由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面,GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。
手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。
目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,日用范围l
1绪论硕上论文
也将同益广阔。
对于企业专用解决方案,如物流管理、条码扫描、移动信息采集等,这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。
自动控制领域,不仅可以用于ATM机,自动售货机,工业控制等专用设备,和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合,嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。
长虹推出的ADSL产品,结合网络,控制,信息,这种智能化,网络化将是家电发展的新趋势。
硬件方面,不仅有各大公司的微处理器芯片,还有用于学习和研发的各种配套开发包。
目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究,已经相对比较成熟,实现各种功能的芯片应有尽有。
而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。
我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银（CoreTek公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem,中科院推出的Hopen嵌入式操作系统（虽然还不够完善。
同时由于是研究热点,所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源,从各大厂商的开发文档,到各种驱动,程序源代码,甚至很多厂商还提供微处理器的样片。
这对于我们从事这方面的研发,无疑是个资源宝库。
对于软件设计来说,不管是上手还是进一步开发,都相对来说比较容易。
这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态,利于发挥大家的积极创造性。
1.1.2嵌入式技术的发展趋势
信息时代,数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机,为嵌入式市场展现了美好的前景,同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战,从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势:
嵌入式开发是一项系统工程,因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身,同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。
目前很多厂商已经充分考虑到这一点,在主推系统的同时,将开发环境也作为重点推广。
比如三星在推广Arm7、Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（BSP,而WindowCE在主推系统时也提供EmbeddedVC++作为开发工具,还有Vxworks的Tonado开发环境,DeltaOS的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。
当然,这也是市场竞争的结果。
网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽R益提高,使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构更加复杂。
这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能,为了满足应用功能的升级,设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力,同时增加功能接口,如USB,扩展总线类型,如CANBUS,加强对多媒体、图形等的处理,逐步实施片上系统（SOC的概念。
软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性,简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。
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硕士论文基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计
网络互联成为必然趋势未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求,必然要求硬件上提供各种网络通信接口。
传统的单片机对于网络支持不足,而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口,除了支持TCP/IP协议,还有的支持IEEEl394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种,同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。
软件方面系统系统内核支持网络模块,甚至可以在设备上嵌入W曲浏览器,真正实现随时随地用各种设备上网。
精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本,未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备,为了减低功耗和成本,需要设计者尽量精简系统内核,只保留和系统功能紧密相关的软硬件,利用最低的资源实现最适当的功能,这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法,优化编译器性能。
提供友好的多媒体人机界面,嵌入式设备能与用户亲密接触,最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。
图像界面,灵活的控制方式,使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。
这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面,多媒体技术上痛下苦功。
手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。
目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。
1.2课题研究的背景及意义
随着我国科技的进步和社会的发展,数字视频图像的采集、存储、处理及传输技术在最近几年得到了广泛的应用和发展,各类图像采集及处理系统已经逐渐深入到人们生活的各个方面。
与视频采集卡等传统图像采集系统相比,嵌入式图像采集系统具有体积小、成本低、可靠性高等优点,在智能交通、远距离监控、计算机视觉等领域应用广泛。
图像是人类获取和交换信息的主要来源,图像信息的采集和处理经过十几年的发展,随着各种新方法,新技术以及新设备的不断涌现,已经广泛应用于各行各业。
在视频监控,智能交通和智能小区的发展,卫星遥感图像识别,生物医学学科中诸如射线成像,染色体分类技术,办公自动化中的手写识别,票据及人民币的识别以及工业视觉,虚拟现实等等领域,图像的采集都有着极其重要的应用。
随着图像压缩技术的进步,数字图像采集产品进入了一个快速发展时期,产品也由原来的数字监控录像主机发展到网络摄像机,网络传输设备,电话传输设备,专业数字硬盘录像机等多种产品。
经过这几年的发展,国内诞生了一批新兴的数字化图像采集产品生产企业,特别是以数字化安防产品为代表的数字硬盘录像机生产企业的迅速崛起,使原有的图像采集市场发生了根本性的变化,传统监控产品生产企业如松下、三洋、产品在市场中的份额不断缩减,民族品牌的数字化图像采集产品逐步占据市场。
图像视频技术在现代科学研究,工农业生产、交通运输、资源的遥感探测,医疗卫3
l绪论硕士论文
生、空间探测、航天探测等各个领域内应用越来越广泛。
第一,在广播电视的传输领域内继续发展,高清晰度数字电视已经受到越来越多人的关注。
国家已制定了数字电视进程的明确时间表,高清晰度电视制式及其标准不久将要布。
第二,在通信领域中,有可视电话、会议电视、多媒体通信、视频数据库、视频监控等。
第三,在教育医疗领域,有远程教育、远程医疗会诊、现场实况转播等。
第四,在计算机领域,有桌面视频、视频数据库、视频检索、影视制作、多媒体通信,动画设计与制作、视频服务等。
此外,在其它领域也有广泛应用。
1.3论文的主要工作和组织结构
本文以在嵌入式环境下的图像采集为例,介绍了嵌入式系统的基本概念及组成部份。
讨论了基于￥3C2440的图像采集系统硬件平台的搭建,Linux在ARM9开发板上的移植问题,以及如何在嵌入式Linux开发环境中进行图像采集软件的开发。
为了实现本系统的功能要求,需要在Vide04Linux下进行图像采集的编程,通过代码的编写设置好图片采集的速率,采集的帧数,采集图片的大小,存储的格式和路径等,从而实现系统的具体功能。
本文组织结构如下:
第一章,绪论。
介绍了课题的研究背景、嵌入式技术的国内外发展现状和本课题的研究目标和内容。
第二章,嵌入式系统总体方案设计。
介绍了嵌入式系统的基本组成部分,及其各部份的特点。
第三章,嵌入式系统硬件丌发平台。
介绍了嵌入式开发硬件平台的选择原则,以及ARMSYS2440的基本组成部分和功能特点。
第四章,嵌入式系统软件开发平台。
介绍了嵌入式操作系统的选择原则。
分析了Linux设备驱动程序的结构和工作原理。
第五章,嵌入式Linux开发环境的搭建。
研究Linux内核的结构特点,重点研究Linux内核在嵌入式环境下的移植及裁剪方法。
第六章,USB摄像头驱动设计。
介绍了USB结构以及如何进行USB摄像头驱动的开发。
详细分析了Vide04Linux图形接口函数的特点,研究通过调用Vide04Linux编写设备驱动的方法和流程。
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硕士论文基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计2嵌入式系统总体方案设计
2.1嵌入式系统概述
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统;它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
2.1.1嵌入式系统的组成
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成,嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心,由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
执行装置也称为被控对象,它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令,执行所规定的操作或任务。
图2.1嵌入式系统框架
本实验系统的硬件部分主要包括:
视频采集模块,ARASYS2440开发板,以太网模块,存储器,键盘,LCD等构成。
系统的软件部份主要由引导驱动程序,操作系统,文件系统,应用程序等几部份组成。
2嵌入式系统总体方案设计硕十论文2.1.2嵌入式系统的分类
由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成,所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。
从硬件方面来讲,各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分,而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种,流行体系结构包括MCU,MPU等30多个系列。
鉴于嵌入式系统广阔的发展前景,很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器,并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势,其中从单片机、DSP到FPGA、ARM有着各式各样的品种,速度越来越快,性能越来越强,价格也越来越低。
目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB,处理速度最快可以达到2000MIPS,封装从8个引脚到144个引脚不等。
Processor
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器,具有较高的性能,当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Aml86/88、386EX、SC.400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。
其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器,属于中档的价位。
Unit,MCU
嵌入式微控制器的典型代表是单片机,从70年代末单片机出现到今天,虽然已经经过了20多年的历史,但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。
单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。
和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
微控制
由于MCU低廉的价格,优良的功能,所以拥有的品种和数量最多,比较有代表性的包括8051、MCS.25l、MCS.96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541,并且有支持12C、CAN.Bus、LCD及众多专用MCU和兼容
其集成了FPGA等器件,所以具有很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。
嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP
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硕士论文基于ARM9的嵌入式图像采集系统的设计
DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度。
在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。
MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求,其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。
随着大规模集成电路技术发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。
其运算速度比MPU快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
至80年代中期,随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。
到80年代后期,DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。
90年代后,DSP发展到了第五代产品,集成度更高,使用范围也更加广阔。
目fi{『最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS.296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。
嵌入式片上系统（SystemOnChip
SOC追求产品系统最大包容的集成器件,是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。
SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。
而且SOC具有极高的综合性,在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言,实现一个复杂的系统。
用户不需要再像传统的系统设计一样,绘制庞大复杂的电路板,一点点的连接焊制,只需要使用精确的语言,综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准,然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。
由于绝大部分系统构件都是在系统内部,整个系统就特别简洁,不仅减小了系统的体积和功耗,而且提高了系统的可靠性,提高了设计生产效率。
由于SOC往往是专用的,所以大部分都不为用户所知,比较典型的SOC产品是Philips的SmartXA。
少数通用系列如Siemens的TriCore,Motorola的M.Core,某些ARM系列器件,Echelon和Mo
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